כשהאבולוציה מתחילה לאלתר

"אבולוציה מסוג מסוים מתרחשת בתוך גופנו כל העת", אומר פרופ' יואב סואן מהמחלקה למדעים ביו-מולקולריים במכון ויצמן למדע. "כל תא בגוף, כל צמח וכל בעל חיים נדרש להתאים עצמו במהלך חייו למבול בלתי פוסק של שינויים פנימיים ייחודיים לאותו הפרט. הברירה הטבעית אינה יכולה להסביר באופן מספק כיצד התאמות אלה מתרחשות, שכן מנגנון הברירה הטבעית אינו מחולל שינויים בתוך פרטים, אלא, על פי רוב, 'בורר' אותם על בסיס מוטציות גנטיות שהופיעו באקראי. מנגנון הברירה הטבעית מסביר על כן תהליכי הסתגלות באוכלוסייה גדולה, אך לא בתוך כל פרט ופרט". כדי להסביר כיצד תהליכי התאמה אלה מתרחשים, פרופ' סואן וחברי קבוצת המחקר שלו, ד"ר מיכאל אלגרט ומאור קנפו, הציעו תהליך חדש – אלתור הסתגלותי – המסביר באופן עקרוני כיצד כל פרט יכול "לפתור בעיות" חדשות באמצעות דינאמיקה של שינויים אקראיים.

אלתור הסתגלותי הוא עיקרון ארגוני המאפשר לגוף להגיע לנקודת איזון פנימי חדשה בתנאים חדשים

התיאוריה המוצעת מתייחסת גם להסתגלויות שאינן מקודדות בגנום, או באף מקום אחר לצורך העניין. כך למשל, הפרט יכול להסתגל באמצעות שינויים אקראיים לא-גנטיים בבקרה על גנים ו/או שינויים באוכלוסיית החיידקים בגופו. חלק מהשינויים האלה הם בלתי צפויים, ולרוב אינם קטלניים. הטיה זו כלפי שינויים בלתי-קטלניים היא כשלעצמה תוצאה אבולוציונית של הברירה הטבעית, התומכת רק בקיומם של יצורים הכוללים מנגנוני בקרה המגבילים שינויים בתכונות קריטיות לקיום היצור החי. פרופ' סואן מסביר כי אלתור הסתגלותי הוא עיקרון ארגוני המאפשר לגוף להגיע לנקודת איזון פנימי חדשה בתנאים חדשים.

בחינת היתכנות עקרונית של הרעיון דורשת מסגרת תיאורטית המאפשרת להתחקות אחר הדרכים שבהן יצור חי או תא בודד עשויים להתגבר על בעיות חדשות באמצעות תהליך אלתורי – שינויים אקראיים לאורך זמן בתוך אותו פרט (להבדיל מברירה של שינויים אקראיים באוכלוסייה של פרטים). השאלה במקרה זה היא אם וכיצד פרט יחיד יכול למצוא פתרון לבעיה החדשה באמצעות שיטוט אקראי במרחב אסטרונומי של שינויים אפשריים. שאלה זו עמדה בבסיס שיתוף פעולה עם פרופ' נעמה ברנר והלל שרייר מקבוצתה בטכניון. במחקר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, הוצגה מסגרת מתמטית חדשה המספקת תמיכה חלקית, אך משמעותית, לרעיון האלתור.

המודל מורכב מרשת המייצגת פרט (למשל תא יחיד) הנדרש לעמוד בדרישה חדשה. מודל זה דומה לזה של רשתות עצביות במוח, אך ללא אלגוריתם לבחירה מושכלת של כיווני שינוי עתידי. השינויים במודל מופיעים על כן באופן אקראי (מתוך הנחה שאי אפשר להגדיר מראש אסטרטגיית בחירת כיוון שתהיה יעילה בכל סוגי הבעיות). על מנת לבחון את ההיתכנות להשגת פתרון ללא אלגוריתם מכוון, המדענים הציבו בפני התא במודל דרישה שרירותית שאין לו מענה עליה, ובדקו האם תהליך של שינויים אקראיים בתוך התא יכול להוביל למציאת פתרון הסתגלותי המאפשר עמידה בדרישה.

ברירה דארוויניסטית והסתגלות למארקית בדרך האלתור מתבררות כתואמות. אוכלוסיות מסתגלות בדרך הברירה הטבעית, בעוד שהפרט מסתגל באמצעות אלתור טבעי שמידתו נקבעת על פי סוג העקה ועוצמתה, ללא צורך ב'חישוב' או 'קבלת החלטות'. למעשה, ייתכן שאפשר לאחד את עקרונות הברירה הטבעית והאלתור ההסתגלותי"

סימולציות המודל אכן הוכיחו את היתכנותה של הסתגלות באמצעות שינויים אקראיים תוך-תאיים וחשפו מספר דרישות מקדימות לתהליך מעין זה. הן הראו שההסתגלות תלויה בקיום מספר קטן של צמתים מרכזיים (hubs) –  מרכיבים פנימיים המסוגלים להשפיע על מספר רב של מרכיבים אחרים ברשת. כמו כן נמצא שיכולת ההסתגלות משתפרת כאשר מאפשרים לצמתים המרכזיים להשתתף בבקרה של עצמם. פרופ' סואן מציין כי נראה שרשתות בקרה גנטיות בנויות לפעול באופן זה – גורמי שעתוק שנקשרים לאזורי בקרה רבים בגנום, לעתים קרובות בתגובה לאותות חיצוניים או פנימיים, הם דוגמה מצוינת לכך. לפיכך, המודל עשוי לאפשר להגיע להבנה חדשה של תהליכים הסתגלותיים בתאים.

חרף העובדה שהמודל מתואר במונחים של הסתגלות ברמת תא יחיד, אפשר לתארו באופן דומה כתהליך הסתגלות המתרחש במהלך החיים של בעל חיים רב-תאי (צמחים וחיות) ורשתות מורכבות אחרות (כגון רשתות חברתיות מורכבות, רשתות כלכלית וכן הלאה). בבני אדם, למשל, עקה (stress) גוררת שינויים באוכלוסיית החיידקים ש"מתארחים" בגוף. שינויים אלו במיקרוביום משפיעים על מצבו של הפונדקאי ועשויים אף להיות בלתי-נעימים, אך לרוב אינם קטלניים ובסופו של דבר מאפשרים הן לפונדקאי (האדם) והן לחיידקים להסתגל לחיים המשותפים, תוך הגעה לנקודת איזון חדשה שבה רמת העקה נמוכה מכדי לגרום להמשך תהליך השינוי.

פרופ' סואן מציין כי חלק מהשינויים הללו – אלה שבאוכלוסיית החיידקים במעיים, למשל – עשויים לעבור הלאה, לדור הבא. אפשרות זו תואמת את התיאוריה של ז'אן-בטיסט דה למארק, שהציע כי הפרט יכול להסתגל לשינויים בסביבה ולהעביר הסתגלויות אלו לצאצאיו. במשך שנים רבות, ההשקפה הלמארקית נדחתה (בעיקר עקב היעדרו של מנגנון עקרוני התומך בהיתכנות תהליך הסתגלות למארקי) והתפיסה המקובלת התבססה באופן בלעדי על הסתגלות דרוויניסטית באמצעות ברירה טבעית של מוטציות המופיעות ללא קשר לתנאי הסביבה. בשנים האחרונות נבחנת מחדש האפשרות הלמארקית של הורשת תכונות שהופיעו בהשראת תנאי הסביבה. "ברירה דארוויניסטית והסתגלות למארקית בדרך האלתור מתבררות כתואמות", אומר פרופ' סואן. "אוכלוסיות מסתגלות בדרך הברירה הטבעית, בעוד שהפרט מסתגל באמצעות אלתור טבעי שמידתו נקבעת על פי סוג העקה ועוצמתה, ללא צורך ב'חישוב' או 'קבלת החלטות'. למעשה, ייתכן שאפשר לאחד את עקרונות הברירה הטבעית והאלתור ההסתגלותי. אפשרות זו עולה מתוך התייחסות למין מסוים כאל יחידה בודדת (meta-individual) המסתגלת לאורך דורות של אוכלוסיות. הסתגלות זו מתקבלת בתהליך מתמשך של ברירת מוטציות הנוטות להקטין את לחץ (עקת) הסלקציה הגנטית. הדמיון לתהליך הורדת עקה באמצעות אלתור בזמן החיים של אורגניזם בודד, מעלה את האפשרות שעיקרון האלתור ההסתגלותי מהווה בסיס לתהליכי הסתגלות בטווחי זמן רלוונטיים לכל רמת ארגון".